CN212873836U - 一种演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学仪器，不仅可以实现直动式平面凸轮机构运动关系的演示，更重要的是它可以实现反转法设计凸轮轮廓设计时平面凸轮与直动从动件间运动关系的转换，通过推杆支架带动推杆绕凸轮的转动中心转动，实现了反转法设计凸轮轮廓时凸轮静止，推杆做复合平面运动的过程演示。通过调整推杆支架上指针在机架横梁导轨上水平位移，可以实现从动件导路与凸轮转动中心对心和偏置类型的切换；同时，本装置还可实现尖顶、滚子和平底从动件类型的更换。该装置能够实现直动推杆盘型凸轮机构中凸轮轮廓反转法设计过程的演示。

Description

一种演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学仪器

技术领域

本实用新型属于机械原理机构学领域，特别涉及凸轮机构轮廓设计，具体为一种手动平面凸轮轮廓设计反转原理实验教学装置。

背景技术

凸轮机构是机械设备中应用最常用的机构之一，因其结构简单紧凑，且凸轮轮廓能够确保其从动件按照预定的运动规律运动，故常被应用于各类轻工、纺织、食品、交通运输、机械传动等领域。

凸轮机构中凸轮的轮廓设计非常关键，学生在学习设计凸轮轮廓设计时常常难以理解，特别涉及到运用反转法进行凸轮轮廓的图解法和解析法设计。

目前，国内尚无关于凸轮轮廓设计方法演示的教学仪器，结合理论教学所采用的反转法设计凸轮轮廓，为了让学生对凸轮轮廓设计方法有感性认识，设计一套演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学装置，对学生学习和理解凸轮机构，尤其是凸轮轮廓设计方法有一定的帮助。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对目前凸轮机构中凸轮轮廓设计的实验教学需求，结合目前凸轮机构教学设备不足，提供一种全新的凸轮轮廓反转法设计原理演示的教学装置。该装置使用方便，可以灵活更换从动件类型和调整偏心等特点，可以很好满足凸轮轮廓曲线设计方法的实验教学仪器的不足。为此，本实用新型采用以下技术方案：

一种演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学仪器，其特征在于，包括机架组件、平面凸轮组件和推杆组件；其中机架组件包括支架平板、支脚、支架和支脚的固定螺栓螺母组合；平面凸轮组件包括凸轮旋转手柄、旋转曲柄、曲柄锁紧螺钉、第一凸轮支撑轴承、第二凸轮支撑轴承和凸轮；推杆组件包括左调节支架和右调节支架、推杆上导轨、推杆下导轨、推杆、推杆支架、调节螺栓、锁紧螺母、指示滑块、导轨轴承、导轨轴承支撑轴、弧形末端、偏心指示针、推杆组件锁紧螺钉、导轨轴承挡圈、紧固卡簧、推杆复位弹簧、复位弹簧限位销；

所述机架组件中的支架平板是由支脚支撑，所述支脚与所述支架平板由固定螺栓连接并通过螺母紧固；所述支架平板面板上有一条与凸轮同心的与导轨轴承适配的导轨，所述导轨上设置有一导轨轴承的安装孔槽，所述导轨轴承可在所述导轨内保持静止或滚动，所述导轨为圆环形沉槽，沉槽设有导轨封口，所述支架平板上设有一与凸轮同心的圆环状突起平台，所述突起平台顶部设置与弧形末端相配的限位结构，所述支架平板背面中间设置有凸台，所述支架平板中间设置同心阶梯孔，所述同心阶梯孔用于平面凸轮组件，所述阶梯孔中设有一个环形阶梯用于定位第一凸轮支撑轴承和第二凸轮支撑轴承的外圈；所述支架平板上方设有刻度条，用于标定凸轮和推杆间的偏置量；

所述平面凸轮组件的旋转手柄与旋转曲柄连接，所述旋转曲柄与凸轮轴末端通过曲柄锁紧螺钉与凸轮轴锁紧；

所述推杆组件中的左调节支架和右调节支架与推杆上导轨和推杆下导轨通过连接结构连接在一起并分别处在推杆上导轨和推杆下导轨的两侧，所述推杆支架与推杆上导轨和推杆下导轨通过连接结构连接在一起，所述左调节支架、右调节支架、推杆上导轨、推杆下导轨和推杆支架固定成一个构件；所述推杆支架上端中央安装了偏心指示针，偏心指示针处在推杆的正后方，所述推杆支架下端为弧形末端，所述弧形末端与所述圆环状突起平台保持高副接触；所述推杆支架上设有推杆组件锁紧螺钉；

所述推杆装在推杆上导轨和推杆下导轨的导轨中，所述推杆上设有复位弹簧，所述复位弹簧下端由复位弹簧限位销限位并处在推杆上导轨和复位弹簧限位销之间，所述复位弹簧限位销横插在推杆的销孔中并且可以拆卸，从而可以更换推杆；

所述左调节支架和右调节支架为矩形框，矩形框中间装有所述指示滑块，所述指示滑块可以在调节支架的矩形框内滑动，所述指示滑块上设有刻度指示结构，所述指示滑块由导轨轴承支撑轴支承，所述导轨轴承支撑轴一端设有轴肩用于定位导轨轴承，所述导轨轴承另一端靠导轨轴承挡圈定位，所述导轨轴承挡圈隔开了导轨轴承和指示滑块，所述导轨轴承支撑轴另一端设有矩形凹槽，矩形凹槽内装有紧固卡簧，所述紧固卡簧用于指示滑块的定位和卡紧；

所述调节螺栓分别穿过左调节支架和右调节支架与指示滑块的中空螺纹孔形成螺纹副，通过旋转调节螺栓，可以调节指示滑块在矩形框内的相对位置；所述调节螺栓设有锁紧螺母，可以用于锁紧调节螺栓。

进一步地，当推杆组件锁紧螺钉锁紧，将推杆支架固定在时支架平板，可用于凸轮机构演示，当推杆组件锁紧螺钉处于非锁紧状态时，推杆支架可相对于支架平板运动，可用于演示反转法设计凸轮轮廓的原理。

进一步地，其备置有底端结构不同的三种推杆，分别为尖顶推杆、平底推杆和滚子推杆。

进一步地，推杆组件通过导轨轴承绕导轨做定轴转动时，推杆保持与凸轮高副接触。

进一步地，推杆组件通过调整指示滑块在左调节支架或右调节支架中矩形框中的相对位置，实现凸轮和推杆偏心的调整。

进一步地，通过拆卸复位弹簧限位销和复位弹簧更换推杆类型，实现不同从动件类型的盘型凸轮轮廓的反转法设计演示。

进一步地，平面凸轮组件设有前后设置第一凸轮支撑轴承和第二凸轮支撑轴承，所述旋转曲柄定位后凸轮支撑轴承即第一凸轮支撑轴承的内圈，所述第一凸轮支撑轴承的外圈由环形阶梯实现定位，前凸轮支撑轴承即第二凸轮支撑轴承的外圈由环形阶梯定位，第二凸轮支撑轴承的内圈由凸轮轴上的台肩实现定位，所述凸轮、台肩和凸轮轴为同一零件。

本实用新型提供的新型凸轮轮廓曲线反转原理演示的实验仪器配置合理、不需要专业技术即可实现拆装，可以实现推杆类型的更换、推杆偏置距离的调整，满足教学要求和特点。松开锁紧螺母，旋转调节螺栓可以方便调整滑块在矩形槽的位置，实现推杆偏心的调整。通过拆掉复位弹簧限位销和复位弹簧即可实现推杆类型的更换。该装置操作简单，参数调整方便，能够充分演示不同推杆类型和对心 /偏置情况下设计凸轮轮廓反转原理的演示，能够将理论内容通过实验教学演示，帮助学生更加形象地理解和学习相关的教学内容。

附图说明

图1、图2分别为本实用新型演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学装置的主视图和左视图。

图3、图4分别为平面凸轮组件的左视图和三维视图。

图5、图6分别为推杆组件的主视图和左视图。

图7、图8分别为支架平板的主视图和剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本实用新型的具体实施方式。

一种演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学装置，包括机架组件、平面凸轮组件L和推杆组件G，其中机架组件包括支架平板J1、2个支脚J2、支架和支脚的固定螺栓J3螺母J4组合2对；平面凸轮组件L包括凸轮旋转手柄L1、旋转曲柄L2、曲柄锁紧螺钉L3、第一凸轮支撑轴承L4和第二凸轮支撑轴承L5 和凸轮L6；推杆组件G包括调节支架G1和G5、推杆上导轨G2-1、推杆下导轨 G2-2、推杆G3、推杆支架G4、调节螺栓G6、锁紧螺母G7、指示滑块G8、导轨轴承G10、导轨轴承支撑轴G9、连接角铁G11、固定螺栓G12、弧形末端G13、偏心指示针G14、推杆组件锁紧螺钉G15、导轨轴承挡圈G16、紧固卡簧G17、推杆复位弹簧G18和复位弹簧限位销G19。调节支架G1和G5上设置有与指示滑块G8对应的指示高度的刻度，偏心指示针G14通过螺纹连接方式设置在推杆支架G4的上端中央，处在推杆G3的正后方。

所述支架平板J1通过固定螺栓J3螺母J4固定在支脚J2上。平面凸轮组件L安装在支架平板J1的轴承座孔上，安装时第二凸轮支撑轴承L5套入凸轮L6的轴上，接着，将其装入支架平板J1的轴承座孔上，其次，依次安装好凸轮支撑轴轴承L4、旋转曲柄L2和旋转手柄L1，确保两个凸轮支撑轴轴承L4和L5分别安装在各自的轴承座上，且凸轮轴上各零件位置定好，最后，用曲柄锁紧螺钉 L3将旋转曲柄L2锁紧在凸轮轴上。

所述推杆组件通过导轨轴承G10安装在支架平板J1的导轨J1-1中，当导轨轴承G10安装在导轨J1-1中，无论保持静止还是运动，都需要满足推杆G3的尖顶与凸轮L6的轮廓以高副形式接触，同时，推杆支架G4的弧形末端G13与支架平板J1的圆环状突起平台J1-2形成虚约束保持高副接触。

所述导轨J1-1为圆环形沉槽，沉槽设有导轨封口J1-5，所述突起平台J1-2 顶部设置限位结构J1-6，用于对弧形末端G13在轴向上限位，所述支架平板J1 背面设置有另一圆环状凸台J1-7，利用所述凸台J1-7，所述支架平板J1中间设置同心阶梯孔J1-3，所述同心阶梯孔J1-3用于平面凸轮组件L，所述阶梯孔中设有一个环形阶梯J1-8用于定位第一凸轮支撑轴承L4、第二凸轮支撑轴承L5的外圈，所述旋转曲柄L2可以定位第一凸轮支撑轴承L4的内圈，所述第二凸轮支撑轴承L5的内圈由凸轮轴L6-2上的台肩L6-1实现定位，所述凸轮L6及其台肩L6-1和凸轮轴L6-2为一整体部件。所述支架平板J1上方设有与偏心度对应的刻度条J1-4，用于标定凸轮L6和推杆G3间的偏置量。

安装时，首先，将调节支架G1和G5、推杆支架G4、推杆上导轨G2-1和推杆下导轨G2-2通过8组连接角铁G11和固定螺栓G12紧固成一个构件A；然后，将导轨轴承G10、导轨轴承挡圈G16、指示滑块G8和紧固卡簧G17依次装在导轨轴承支撑轴G9上组成导轨轴承支撑轴组件B；其次，将两套装配好的导轨轴承支撑轴组件B的导轨轴承依次通过支架平板J1上的安装孔槽J1-9装入导轨J1-1中；接着，将构件A装配到两个导轨轴承支撑轴组件B的指示滑块G8上；再次，将两个锁紧螺母G7分别旋入两个调节螺栓G6上，在将两个调节螺栓G7分别旋入调节支架G1和G5上，同时，旋入指示滑块G8中央的螺纹孔直至调节支架底端的导向孔。然后，将推杆组件锁紧螺钉G15旋入螺纹孔中。最后，将推杆G3由上到下依次插入推杆上导轨G2-1的导向孔、复位弹簧G18和推杆下导轨G2-2的导向孔中，接着，压缩复位弹簧G18，并将复位弹簧限位销G19插入销孔，将偏心指示针G14旋入推杆支架G4上端。

使用时，具体实施步骤如下：

第一步，将锁紧螺母G7旋松，旋转调节螺栓G6调节指示滑块G8在矩形导轨中的相对位置，当两个指示滑块G8上的刻度指示条处于同一水平线时，将锁紧螺母G7旋紧，同时，推杆G3与凸轮L9的转动中心处于对心的位置关系，此时垂直的推杆的中心线经过凸轮L9的转动中心，偏心指示针G14在支架平板 J1刻度盘的正中央。

第二步，推杆组件锁紧螺钉G15旋紧后，推杆组件G将固定在支架平板J1 上，此时，推杆G3末端与凸轮L6形成平面高副。手动摇动旋转手柄L1，驱动凸轮L6转动，实现对心直动尖顶盘型凸轮机构运动演示。

第三步，旋松推杆组件锁紧螺钉G15及锁紧螺母G7，旋转调节螺栓G6使得两个指示滑块G8在矩形导轨中相对位置发生变化，此时，偏心指示针G14也发生偏移，标志此时推杆G3相对凸轮L9转动中心发生偏置，此时旋紧推杆组件锁紧螺钉G15和锁紧螺母G7，手动摇动旋转手柄L1，驱动凸轮L6转动，实现偏置直动尖顶盘型凸轮机构运动演示。

第四步，第一步结束后，旋松推杆组件锁紧螺钉G15，手动推动推杆组件G 整体沿着调节支架J1上的导轨J1-1旋转，演示反转原理设计对心直动凸轮机构凸轮轮廓曲线时，凸轮L6)止，推杆G3做旋转和沿着导路的复合平面运动。

第五步，第一步和第三步结束后，旋松推杆组件锁紧螺钉G15，手动推动推杆组件G整体沿着调节支架J1上的导轨J1-1旋转，演示反转原理设计偏置直动凸轮机构凸轮轮廓曲线时，凸轮L6静止，推杆G3做旋转和沿着导路的复合平面运动。

平面凸轮机构从动件类型有尖顶推杆、平底推杆和滚子推杆，这三种类型推杆的构造和摩擦状况不同，反转法设计对应推杆的凸轮轮廓的步骤也有所不同，本实验装置，可以方便更换不同类型的从动件(更换下端结构不同的不同类型推杆)，实现不同推杆类型的凸轮轮廓曲线反转法设计过程的演示。将复位弹簧限位销G19拔出，拆下原来的推杆和复位弹簧，将备选类型的推杆和复位弹簧装入推杆的上导轨和下导轨中，再次插入复位弹簧限位销G19，更换完成。

调节螺栓G6具有两段螺纹G6-1和G6-2，呈阶梯状，末端为光杆G6-3，上段螺纹G6-1与调节支架J1形成螺纹副一，下段螺纹G6-2与指示滑块G8形成螺纹副二，螺纹副一和螺纹副二采用旋向相同，均为右旋，螺距不同的结构，设螺纹副一的螺距为P1，螺纹副二的螺距为P2，则通过调节螺栓G6旋转调节指示滑块G8位置时对应的移动关系如下：

S＝n(P1-P2)

其中，S——指示滑块下降距离；

n——调节螺栓的旋转圈数；

当P1>P2时，调节螺栓S6顺时针旋转，指示滑块G8运动方向向下。

两个调节螺栓G6的竖直位移差h与推杆G3和凸轮L6转动中心偏置e也存在几何关系。假设凸轮转动中心坐标为(0，0)，左侧导轨轴承中心坐标为(x₁， y₁)，右侧导轨轴承中心坐标为(x₂，y₂)，因此：

x₂-x₁＝L (1)

y₁-y₂＝h (2)

其中，L——两导轨轴承横向距离；

R——导轨半径；

公式(1)-(5)可以推出偏置e与竖直位移差h的解析解，但因为两者关系是非线性，所以本装置运用刻度进行度量，这样不仅降低理论计算，而且非常直观和容易操作。

本说明书介绍该实用新型装置时，是以自制零件为例予以说明。其他的使用通用标准零件，以及相应组合来实现本实用新型的功能和用途为目的情况，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (6)

1.一种演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学仪器，其特征在于，包括机架组件、平面凸轮组件(L)和推杆组件(G)；其中机架组件包括支架平板(J1)、支脚(J2)、支架和支脚的固定螺栓(J3)螺母(J4)组合；平面凸轮组件(L)包括凸轮旋转手柄(L1)、旋转曲柄(L2)、曲柄锁紧螺钉(L3)、第一凸轮支撑轴承(L4)、第二凸轮支撑轴承(L5)和凸轮(L6)；推杆组件(G)包括左调节支架(G1)和右调节支架(G5)、推杆上导轨(G2-1)、推杆下导轨(G2-2)、推杆(G3)、推杆支架(G4)、调节螺栓(G6)、锁紧螺母(G7)、指示滑块(G8)、导轨轴承(G10)、导轨轴承支撑轴(G9)、弧形末端(G13)、偏心指示针(G14)、推杆组件锁紧螺钉(G15)、导轨轴承挡圈(G16)、紧固卡簧(G17)、推杆复位弹簧(G18)和复位弹簧限位销(G19)；

所述机架组件(J)中的支架平板(J1)是由支脚(J2)支撑，所述支脚(J2)与所述支架平板(J1)由固定螺栓(J3)连接并通过螺母(J4)紧固；所述支架平板(J1)面板上有一条与凸轮同心的与导轨轴承(G10)适配的导轨(J1-1)，所述导轨(J1-1)上设置有一导轨轴承(G10)的安装孔槽(J1-9)，所述导轨轴承(G10)能在所述导轨(J1-1)内保持静止或滚动，所述导轨(J1-1)为圆环形沉槽，沉槽设有导轨封口(J1-5)，所述支架平板(J1)上设有一与凸轮同心的圆环状突起平台(J1-2)，所述突起平台(J1-2)顶部设置与弧形末端(G13)相配的限位结构(J1-6)，所述支架平板(J1)背面中间设置有凸台(J1-7)，所述支架平板(J1)中间设置同心阶梯孔(J1-3)，所述阶梯孔中设有一个环形阶梯(J1-8)用于定位第一凸轮支撑轴承(L4)和第二凸轮支撑轴承(L5)的外圈；所述支架平板(J1)上方设有刻度条(J1-4)，用于标定凸轮(L6)和推杆(G3)间的偏置量；

所述平面凸轮组件(L)的旋转手柄(L1)与旋转曲柄(L2)连接，所述旋转曲柄(L2)与凸轮轴(L6-2)末端通过曲柄锁紧螺钉(L3)与凸轮轴锁紧；

所述推杆组件(G)中的左调节支架(G1)和右调节支架(G5)与推杆上导轨(G2-1)和推杆下导轨(G2-2)通过连接结构连接在一起并分别处在推杆上导轨(G2-1)和推杆下导轨(G2-2)的两侧，所述推杆支架(G4)与推杆上导轨(G2-1)和推杆下导轨(G2-2)通过连接结构连接在一起，所述左调节支架(G1)、右调节支架(G5)、推杆上导轨(G2-1)、推杆下导轨(G2-2)和推杆支架(G4)固定成一个构件；所述推杆支架(G4)上端中央安装了偏心指示针(G14)，偏心指示针(G14)处在推杆(G3)的正后方，所述推杆支架(G4)下端为弧形末端(G13)，所述弧形末端(G13)与所述圆环状突起平台(J1-2)保持高副接触；所述推杆支架(G4)上设有推杆组件锁紧螺钉(G15)；

所述推杆(G3)装在推杆上导轨(G2-1)和推杆下导轨(G2-2)的导轨中，所述推杆(G3)上设有复位弹簧(G18)，所述复位弹簧(G18)下端由复位弹簧限位销(G19)限位并处在推杆上导轨(G2-1)和复位弹簧限位销(G19)之间，所述复位弹簧限位销(G19)横插在推杆(G3)的销孔中并且能够拆卸，从而更换推杆；

所述左调节支架(G1)和右调节支架(G5)为矩形框，矩形框中间装有所述指示滑块(G8)，所述指示滑块(G8)在调节支架(G1)的矩形框内滑动，所述指示滑块(G8)上设有刻度指示结构，所述指示滑块(G8)由导轨轴承支撑轴(G9)支承，所述导轨轴承支撑轴(G9)一端设有轴肩，轴肩用于定位导轨轴承(G10)，所述导轨轴承(G10)另一端靠导轨轴承挡圈(G16)定位，所述导轨轴承挡圈(G16)隔开了导轨轴承(G10)和指示滑块(G8)，所述导轨轴承支撑轴(G9)另一端设有矩形凹槽，矩形凹槽内装有紧固卡簧(G17)，所述紧固卡簧(G17)用于指示滑块(G8)的定位和卡紧；

所述调节螺栓(G6)分别穿过左调节支架(G1)和右调节支架(G5)与指示滑块(G8)的中空螺纹孔形成螺纹副，通过旋转调节螺栓(G6)，调节指示滑块(G8)在矩形框内的相对位置；所述调节螺栓(G6)设有锁紧螺母(G7)，用于锁紧调节螺栓(G6)。

2.如权利要求1所述的一种演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学仪器，其特征在于其备置有底端结构不同的三种推杆，分别为尖顶推杆、平底推杆和滚子推杆。

3.如权利要求1所述的一种演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学仪器，其特征在于推杆组件(G)通过导轨轴承(G10)绕导轨(J1-1)做定轴转动时，推杆(G3)保持与凸轮(L6)高副接触。

4.如权利要求1所述的一种演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学仪器，其特征在于推杆组件(G)通过调整指示滑块(G8)在左调节支架(G1)或右调节支架(G5)中矩形框中的相对位置，实现凸轮和推杆偏心的调整。

5.如权利要求1所述的一种演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学仪器，其特征在于通过拆卸复位弹簧限位销(G19)和复位弹簧(G18)更换推杆类型，实现不同从动件类型的盘型凸轮轮廓的反转法设计演示。

6.如权利要求1所述的一种演示反转法设计盘型凸轮轮廓的实验教学仪器，其特征在于平面凸轮组件设有前后设置第一凸轮支撑轴承(L4)和第二凸轮支撑轴承(L5)，所述旋转曲柄(L2)定位后凸轮支撑轴承即第一凸轮支撑轴承(L4)的内圈，所述第一凸轮支撑轴承(L4)的外圈由环形阶梯(J1-8)实现定位，前凸轮支撑轴承即第二凸轮支撑轴承(L5)的外圈由环形阶梯(J1-8)定位，第二凸轮支撑轴承(L5)的内圈由凸轮轴(L6-2)上的台肩(L6-1)实现定位，所述凸轮(L6)、台肩(L6-1)和凸轮轴(L6-2)为同一零件。

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